玄武岩纤维(Basaltfibe)是玄武岩矿石经过高温熔融后,通过高速拉丝漏板拉制而成,其主要质量组成为SiO2(46%~52%,质量分数,下同)、Al2O3(10%~18%)、CaO+MgO(13%~25%)、FexOy(6%~18%)、Na2O+K2O(2%~10%)、TiO2(1.5%~2%)。表1中列举了玄武岩纤维、S-玻璃纤维和碳纤维的主要性能。由表1可以看到,玄武岩纤维与其他纤维相比,具有优异的力学性能、宽泛的使用温度,以及良好的耐磨损、耐腐蚀和抗氧化性能。如玄武岩纤维比碳纤维延展性好、抗氧化性强、使用温度范围大,比超高分子量聚乙烯纤维阻燃性好、稳定性强,比芳纶纤维耐高温、耐老化,比玻璃纤维耐磨性强、使用温度广,且比S-玻璃纤维成本低,可作为高性能玻璃纤维替代品;同时玄武岩矿产资源多、可再生,纤维制备工艺成熟、成本低,是一种可持续发展的绿色纤维材料。现阶段,玄武岩纤维已成为继碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维之后的我国重点发展的第四大高技术纤维,是体现国防科技战略布局的一种新材料,以其为增强体可制成各种性能优异的复合材料。而以高性能纤维为基础的纤维复合材料产业日渐发展壮大,在各个应用领域都表现出了越来越清晰的替代传统金属材料的趋势。
玄武岩纤维的开发与应用最先在国外进行。20世纪50年代,莫斯科玻璃和纤维研究院率先开始研究连续玄武岩纤维,并在乌克兰建成了第一台200孔漏板的工业化生产炉。玄武岩纤维及其复合材料的应用方向首先指向航空航天、国防军工等高科技领域。1975年7月17日,与苏联“联盟冶号飞船完成对接的美国“阿波罗冶号飞船的结构材料上就应用了苏联生产的玄武岩纤维复合材料。20世纪90年代,苏联的解体使玄武岩纤维的生产技术公开化。之后美国、日本、德国、加拿大、英国、韩国等陆续开展了玄武岩纤维在国防军事领域的研究与应用。玄武岩纤维及其复合材料的相关研究在我国发展较晚,20世纪90年代南京玻璃纤维研究院率先开始了用于战斗机发动机外壳的玄武岩纤维隔热复合材料的研究。到2002年,科技部将“玄武岩连续纤维及其复合材料冶列入国家863计划,三年后,上海俄金玄武岩纤维有限公司成功生产出玄武岩纤维,完成课题验收。国内玄武岩纤维及其复合材料已应用于很多民用领域,但在对力学性能要求较高的地方如汽车结构、航空航天、装甲防护等领域应用较少,需深入研究其力学性能。与传统金属材料相比,复合材料的力学响应更为复杂,如复合材料微观上各个组成部分之间存在明显的界面,宏观上呈现为非均质结构且具有各向异性的力学性能;而金属成分一般比较均匀,常具有各向同性的力学性能。这使得玄武岩纤维复合材料在经受载荷时的损伤模式更为多样化,破坏机理也更为复杂,这需要对玄武岩纤维复合材料在不同载荷条件下的力学性能进行大量实验研究与理论研究,以对其力学特性具有更全面的了解,从而满足玄武岩纤维在高性能复合材料应用领域的使用需求,推动玄武岩纤维产业和绿色高性能纤维复合材料产业的发展。树脂基体在复合材料中起到赋予材料形状、粘结纤维和传递应力的作用。不同的树脂基体本身性质不同,与纤维之间的界面结合力也不同,导致了树脂基体种类对纤维复合材料的力学性能有较大影响。树脂基体按其高温下的分子交联状态主要分为热固性树脂和热塑性树脂,热固性树脂在常温下具有良好的流动性,能够较好地浸渍纤维,在纤维复合材料领域被广泛应用。由于具有优异的力学性能、耐腐蚀性、抗疲劳性等多种功能,环氧树脂已成为玄武岩纤维复合材料中最常用的树脂基体。热塑性树脂基体粘度高、流动性差,在浸渍纤维时比较困难,难以与纤维复合成均匀致密的复合材料。现阶段玄武岩纤维增强复合材料的基体主要是热固性树脂,且环氧树脂基复合材料的研究最多。杨智明等全面对比了五种不同的热塑性树脂和热固性树脂基体增强玄武岩纤维复合材料的力学性能。图1为玄武岩纤维增强不同树脂基体复合材料的准静态拉伸性能,可以看到热固性树脂基复合材料的拉伸强度普遍高于热塑性树脂基复合材料,其中环氧树脂基复合材料的拉伸强度最高,临界破坏吸收功也最高;在准静态压缩条件下,不同基体对玄武岩纤维增强复合材料的压缩强度与临界破坏吸收功的影响也呈现出完全相同的规律。与玻璃纤维相比,玄武岩纤维具有更好的耐磨性与更广的使用温度,且在生产使用过程中具有成本低、绿色、可持续等优点。现有研究发现,玄武岩纤维与环氧树脂间的界面结合力与玻璃纤维相当,玄武岩纤维复合材料的准静态力学性能不低于玻璃纤维复合材料。因此玄武岩纤维复合材料可作为玻璃纤维复合材料的良好替代品。Lopresto等比较了环氧树脂基玄武岩纤维和E鄄玻璃纤维增强复合材料的准静态力学性能,实验结果显示玄武岩纤维复合材料具有较高的弯曲强度和压缩强度,其拉伸强度要略低于玻璃纤维复合材料(图2);他们还采用圆柱形冲头测试了两种复合材料的抗低速冲击能力,从图3中可以看出两种复合材料对冲击能量的吸收以及最大抗冲击力都几乎相同。就疲劳性能而言,玄武岩纤维复合材料可以作为结构材料中玻璃纤维复合材料的有效替代品。Dorigato等比较了面密度为200g/m2的玄武岩纤维、E-玻璃纤维、碳纤维三种织物增强环氧树脂基复合材料的准静态力学性能和疲劳性能,结果表明,玄武岩纤维复合材料层合板的弹性模量高于玻璃纤维增强层合板,其拉伸强度值与碳纤维复合材料层合板相近;疲劳性能的研究表明,与玻璃纤维复合材料相比,玄武岩纤维增强复合材料层合板在低疲劳载荷下具有较高的刚度保持能力和较好的阻尼性能。与玻璃纤维相比,玄武岩纤维表面较为粗糙,与树脂基体间的结合力较高,这也导致玄武岩纤维复合材料摩擦性能强于玻璃纤维复合材料。Chairman等研究了玄武岩纤维和玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的双体磨料磨损行为,结果表明,玄武岩纤维复合材料比玻璃纤维复合材料具有更高的拉伸、压缩、层间剪切强度,且具有更好的耐磨性。单品种纤维的性能总有其局限性,通过纤维混杂编织、混合铺层可以结合两种或两种以上纤维的性能优势,与改性方法相比,纤维混杂可以得到性价比更高的复合材料。上述分析可见,玄武岩纤维具有良好的力学性能,其近年来也被用作混杂纤维复合材料的增强纤维,并且与玻璃纤维相比,玄武岩纤维具有更显著的增强作用。Fiore等采用玄武岩纤维层替换玻璃纤维层压板的外层,发现外层的弯曲模量、弯曲强度、拉伸模量、拉伸强度分别为19郾5GPa、300MPa、14郾1GPa、210郾3MPa,比玻璃纤维层压板分别提高了118%、44%、70%、45%。其研究成果随后被应用于海军舱壁,这表明在考虑到制备成本、环境影响和力学性能的情况下,玄武岩纤维混杂复合材料可以在海军应用中替代传统的玻璃纤维复合材料。在与碳纤维进行混杂时,玄武岩纤维也表现出高于玻璃纤维的性能。Wu等比较了使用不同纤维材料进行混杂增强的复合材料的疲劳性能,结果表明在经受疲劳载荷后碳纤维/玄武岩纤维混杂复合材料的剩余损伤容限下降了26%,而碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的剩余损伤容限下降了46%,因此与碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料相比,碳纤维/玄武岩纤维混杂复合材料的抗疲劳性显著提高;在拉伸性能方面,碳纤维/玄武岩纤维混杂复合材料的拉伸强度和模量稍高于碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料(前者为2375MPa和161GPa,后者为2242MPa和152GPa)。Dorigato等研究发现碳纤维/玄武岩纤维混杂层压板的层间剪切强度高于碳纤维/E-玻璃纤维复合层压板,并且玄武岩纤维的加入提高了低速冲击断裂过程中裂纹扩展的能力,比玻璃纤维更有效地提高了复合材料对冲击能量的吸收能力。纤维增强复合材料的界面性能受纤维和基体结合强度和界面润湿性影响。然而,玄武岩纤维表面呈化学惰性,纤维与树脂基体之间的界面结合力较低,这会弱化纤维对基体性能的增强效果。现今,改善纤维增强环氧树脂基复合材料性能的主要方法是对纤维进行化学处理,以优化纤维树脂的界面接触,增强应力传递性能,最终提高复合材料整体的力学性能。Varley等使用溶胶凝胶法将环氧硅烷化学附着到玄武岩纤维表面,使玄武岩纤维增强环氧树脂基复合层压板的压缩强度和层间剪切强度分别提高了52%和21%;使用脂族三亚乙基四胺(TETA)对玄武岩纤维化学处理后,复合材料的剪切强度和抗压强度均降低了约20%,但延展性和塑性得到了提高。叶国锐等采用氧化石墨烯对玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料进行化学改性,复合材料的层间剪切强度提高了10.6%。Kim等采用低温大气等离子体处理玄武岩纤维,使纤维表面形成含氧和氮的化学官能团,显著提高了树脂/基体的润湿性,改善了玄武岩纤维/环氧树脂界面之间的粘合力,提高了其层间断裂韧性。王楠研究发现将6g/L的改性氮化硼溶液喷涂到玄武岩纤维表面后,通过热压成型制备的玄武岩纤维/环氧树脂复合材料层合板的常温和低温力学性能都得到了提高,与未经处理的层合板相比,常温下复合材料层合板的弯曲强度和弯曲模量分别提高了14.9%和5.0%,层间剪切强度提高了37.0%,层间断裂韧性提高了62.3%;-60益时复合材料层合板的弯曲强度和弯曲模量分别提高了19.2%和4.5%,层间剪切强度提高了38.9%,层间断裂韧性提高了60.6%。洪晓东等采用KH570偶联剂对玄武岩纤维表面进行了粗糙化处理,结果表明,改性使复合材料的拉伸强度提高了10%~20%,冲击强度提高了10%~40%;并且改性玄武岩纤维复合材料的拉伸强度比玻璃纤维复合材料提高了37.8%,冲击强度提高了9.2%。玄武岩纤维化学改性方式主要有两种:一是增强纤维与基体的机械结合,如在纤维表面附着硬质颗粒(氮化硼等)提高纤维表面粗糙度,或加入化学试剂(环氧硅烷等)与玄武岩纤维表面部分化学成分反应以提高纤维表面粗糙度,这种方式可有效提高复合材料整体的强度,而复合材料的塑性改善需要精细调控改性的程度,因为纤维与基体结合强度的过度提高将阻碍纤维脱粘变形与基体塑性变形从而降低塑性;二是在玄武岩纤维表面涂覆能与树脂基体反应的化学试剂,目的是在纤维与树脂之间形成化学结合,化学结合的强度理论上要高于机械结合的强度,但化学试剂与树脂基体的反应物可能对树脂基体起到塑化或软化的作用,导致改性处理后复合材料的整体强度或塑性与预期不符。在纳米增强材料中,多壁碳纳米管(MWCNTs)具有超高的强度/刚度和大的比表面积,通过合适的分散方法分散到复合材料基体中可以有效改善复合材料基体中不同组分间的界面结合,还可以通过形成共价键促进界面应力传递,因此MWCNTs已成为纤维树脂基复合材料改性的一个新选择。将MWCNTs或改性的MWCNTs加入环氧树脂基体中,可以在树脂基体中起到弥散强化和增强纤维与树脂界面结合的作用,有效提高复合材料整体的力学性能。如Kim等研究发现,硅烷处理的MWCNTs/环氧树脂/玄武岩纤维复合材料的弯曲和断裂性能得到了改善;且加入1%(质量分数)的碳纳米管后,玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的耐磨性也得到了提升。Lee等的研究显示,与未改性和酸改性的MWCNTs相比,硅烷化的MWCNTs可以提升玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的拉伸性能和热性能。在玄武岩纤维增强金属基复合材料层压板中,基体内MWCNT的拉出、桥接和塑性空隙的生长是复合材料力学性能提高的主要机制。Aghamohammadi等研究了MWCNTs的加入对由铝2024-T3和玄武岩纤维/环氧层组成的层压板力学性能的影响,结果表明MWCNT含量为0.5%(质量分数)时,与没有MWCNT的样品相比,弯曲强度和弯曲模量值分别提高了36.62%和60.16%。采用纳米粒子对复合材料体系改性的重点在于纳米粒子与复合材料体系的界面结合与分散性问题。适量MWC-NTs的加入对玄武岩纤维复合材料力学性能尤其是强度、模量的提升非常明显,但MWCNTs本身尺寸较小,其在基体内的团聚导致受力时易产生应力集中引发裂纹萌生,使复合材料整体韧性下降。已有研究探讨了功能化MWCNTs在多尺度复合材料层压板中原位排列和分散的可行性,这说明有希望在加工过程中通过MWCNTs重新分布和定向排列增强复合材料的力学性能。另一方面,MWCNTs与树脂基体的界面机械结合或物理结合不如化学结合稳定,但界面化学反应生成的反应物相会对整体产生更复杂的影响,目前MWCNTs与树脂基体的界面结合形式对复合材料整体性能的影响的相关研究鲜有报道。综上,调控纳米粒子在复合材料体系中的分布形态,深入了解纳米粒子改性基体的机制仍然是现在研究的重点和难点。经上述章节对玄武岩纤维复合材料准静态力学性能的介绍可知,与传统复合材料相比,玄武岩纤维复合材料具有巨大的应用潜力。同时文献指出,与其他纤维如玻璃纤维、碳纤维复合材料等相比,玄武岩纤维复合材料在中应变率下具有更优异的抗低速冲击性能。然而,在航空航天、汽车工业等高新技术领域,材料研发关注的重点在于其高应变率下的动态力学响应,现今对玄武岩纤维复合材料动态性能的研究主要集中在水泥、沥青、混凝土等方面,本文主要介绍了玄武岩纤维增强树脂基复合材料的动态力学性能,重点关注其在高新技术领域的研究及应用。玄武岩纤维复合材料具有明显的应变率效应,与准静态相比,动态拉伸条件下复合材料的弹性模量、泊松比、最大拉伸强度、断裂应变等都随应变率的增大而增大,但断裂机理未发生变化,都是纤维拉伸断裂与纤维基体脱粘。Elady等研究了玄武岩纤维平纹织物增强环氧树脂基复合材料在高应变速率下的动态拉伸性能,实验采用Hopkinson拉杆在经向(0°)和纬向(90°)两个方向上进行拉伸实验,图4为应变速率对复合材料经向动态拉伸性能的影响,并与准静态试验进行对比,可以看到被测材料在翘曲方向上的行为表现出初始的线性响应,然后是非线性响应直至断裂。随着应变率的增大,玄武岩纤维复合材料经向弹性模量增大了33%,纬向增大了22%。Zhu等的研究证实了玄武岩纤维的弹性模量随应变率的增大而增大;Gilat等研究发现环氧树脂弹性模量也随应变率的增大而增大。因此,在高应变率下玄武岩纤维环氧树脂基复合材料的弹性模量的变化是由环氧树脂对应变率的敏感性和玄武岩纤维对应变率的敏感性两方面所致。在动态拉伸强度方面,Elmahdy等研究表示复合材料的经向极限抗拉强度增加41%,纬向极限抗拉强度增加51%。Zhang等的研究也证实了复合材料极限抗拉强度随应变率的增加而增加的规律。但玄武岩纤维和树脂基体各自对拉伸强度的贡献还未研究清晰,Gilat等的研究证实了环氧树脂的极限拉伸强度随应变速率的增加而增加玄武岩纤维的拉伸强度与表面缺陷和纤维间的摩擦;但有关,其强度并不一定随应变率的增加而增大,因此其对高应变率下复合材料拉伸强度的贡献机制还需进一步研究。随着应变率的增加,玄武岩纤维复合材料的极限拉伸应变会增加。在Elmahdy等的研究中,随着应变率的增加,复合材料经向极限拉伸应变增加59%,纬向极限拉伸应变增加48%,Zhang等也报道了类似的趋势。玄武岩纤维与树脂基体对极限应变增加的贡献不同:在加载初期玄武岩纤维会受到牵扯,导致部分纤维摩擦缠结造成“摩擦锁定冶,加载后期“摩擦锁定冶解除导致纤维出现额外应变,这种机制导致玄武岩纤维断裂应变随应变率增加而增加;脆性环氧树脂基体比纤维更早断裂,且断裂时纤维会从树脂基体中脱粘,因此环氧树脂基体不会对复合材料断裂应变的增加作出贡献。图5为同等纤维含量下玄武岩纤维、碳纤维和玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料动态拉伸性能的研究结果,与玻璃纤维和碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,玄武岩纤维复合材料显示出更高的极限拉伸应变,拉伸强度介于玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料之间。在目前的研究中,玄武岩纤维环氧复合材料的韧性(单位体积的应变能)约为8.75J/mm3,几乎是所报道的碳纤维复合材料(4.8J/mm3)和玻璃纤维复合材料(3.75J/mm3)的两倍,可见玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料具有出色的冲击能量吸收能力,这使其成为抗冲击应用的良好候选材料。与E-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料相比,玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料在单位面积质量和密度下显示出更高的弹性模量、极限拉伸强度和极限拉伸应变,如图6-图8所示,然而有研究发现高应变率条件下玄武岩纤维复合材料的抗剪强度低于玻璃纤维复合材料。综上可知,玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的动态拉伸性能研究较为成熟,研究人员采用霍普金森装置对复合材料动态弹性模量、拉伸强度和断裂应变等方面进行了深入研究,在应变速率大幅变化的情况下,玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的动态拉伸性能增加幅度为20%~60%,尤其是玄武岩纤维特殊的粗糙表面引起的“摩擦锁定冶使其动态极限拉伸应变提高了50%左右。复合材料的力学性能很大程度上取决于纤维与基体之间的结合程度,因此可以通过改进制造工艺来减少纤维/树脂界面的孔隙,进一步提升玄武岩纤维复合材料的力学性能。同时经过与玻璃纤维的对比,现有研究表明用更便宜、性能更强的玄武岩纤维复合材料代替玻璃纤维复合材料可以提高复合材料的综合性能。玄武岩纤维复合材料的动态压缩性能具有明显的应变率效应,如图9所示,复合材料动态压缩强度均高于准静态压缩条件下的强度,但临界破坏应变均低于准静态压缩条件下的临界破坏应变,同时也可看出环氧树脂基复合材料动态压缩强度最高。掺杂颗粒在玄武岩纤维复合材料基体中是否能均匀分散决定了改性物质的加入能否提升复合材料整体动态力学性能。王鑫磊研究发现,铝粉难以有效渗入玄武岩纤维丝中,其加入会降低复合材料整体的力学性能;1%(质量分数)的羧基化碳纳米管可在树脂基体中均匀分散开,改性后的玄武岩纤维复合材料准静态和动态抗压强度分别为405MPa和609MPa,比未掺杂羧基化碳纳米管的复合材料分别提高了35MPa和44MPa,但过多碳纳米管的加入会导致团聚。三维编织玄武岩纤维复合材料比二维层压材料结合更加紧密,在抗冲击研究应用上具有很大的潜力。潘忠祥等研究了70%(体积分数)的三维编织玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料在23℃、60℃、90℃、120℃、150℃、210℃温度场下和1300~1600s-1、1600~2000s-1、2000~2300s-1应变率范围内的面外/面内动态压缩性能。结果表明:3D编织玄武岩纤维复合材料的面外动态压缩强度与模量受应变率影响较小,极限断裂应变随应变率上升而增大;树脂玻璃化转变温度以下三维编织玄武岩纤维复合材料具有明显的屈服平台,总体上强度与模量随温度升高而降低,极限断裂应变增大。三维编织玄武岩纤维复合材料面内动态压缩强度、模量和应变随温度、应变率的变化规律与面外性能一致,但玻璃化温度以上实验时面内复合材料在屈服点之后出现了应力的无规则抖动。三维纤维复合材料结构较为复杂,动态力学响应仍需研究。玄武岩纤维树脂基复合材料具有明显的应变率效应,对于层压材料,其动态压缩模量、强度随应变率的增加而提高,断裂应变随应变率的增加而降低;对于三维编织复合材料,其模量、强度随应变率变化较小,但三维编织结构受冲击时难以彻底失效,树脂基体碎裂后纤维仍有较大的变形空间,故断裂应变随应变率升高而增大。
玄武岩纤维复合材料的抗弹性能主要通过损伤形态、面密度、比吸能和极限贯穿速度V50(一定面密度的复合材料靶板在贯穿概率为50%时弹丸的入射速度)来表征,其抗弹性能受多种因素的影响。玄武岩纤维含量对复合材料的抗弹性能有重要影响,纤维含量的增加有利于提高复合材料的力学性能,但基体含量减少并不利于纤维之间的协同变形,反而降低复合材料的力学性能。研究表明玄武岩纤维含量约为30%(体积分数)时,复合材料V50和比吸能都最大。无纬布对纤维挤压变形较少,纤维力学性能保持较好,相比于其他编织方式具有更高的能量吸收效率,在弹道试验中,李英建等都证实同等面密度下无纬布纤维复合材料的抗弹性能高于平纹布、斜纹布等其他编织方式的纤维复合材料。同时李伟等研究发现纤维0℃/45℃/90℃的铺层方式优于0℃/90℃铺层制作的复合材料板,且在低速侵彻时表现明显。树脂基体类型对复合材料力学性能的影响在已在之前章节说明,表2为不同树脂基体玄武岩纤维复合材料的抗弹性能,可以看到在相同面密度下,乙烯基酯树脂基体的V50和比吸能最高。同时杨小兵研究发现环氧乙烯基树脂基体复合材料抗弹性能优于聚乙烯基体复合材料。树脂基体对复合材料抗弹性能影响的原因尚未被深入研究,李伟等认为这与纤维与和树脂之间的应力波传播速度匹配性有关:当树脂与纤维的波传播速度匹配较好时,复合材料中应力波的传播速度适当,在相同的作用时间内参与吸能的纤维较多,使复合材料板的抗弹性能增强;匹配不好时,复合材料中应力波传播速度较低引起复合材料侵彻区过度破坏,或者应力波传播速度过高引起复合材料未侵彻区的快速破坏,降低复合材料的抗弹性能。玄武岩纤维布受高速冲击失效时以剪切破坏为主,在破碎弹体后不产生新的大碎片,因此在抗破片冲击方面具有广阔的应用前景。如哈跃等采用二级轻气炮加速4~6km/s的铝合金球形弹对玄武岩纤维布进行了超高速撞击试验,建立了玄武岩纤维布穿孔孔径经验方程,拟合了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布后的剩余速度方程和临界破碎速度方程研究发现弹丸撞击玄武岩纤维布的临界破碎速度低于撞击铝合金板,即其对弹丸的破碎能力高于铝合金板,并且撞击速度在2~5.5km/s之间时玄武岩纤维布/铝丝网混合作面板的Whipple防护结构的防护效果都要优于典型铝板Whipple防护结构,因此在航天结构防护应用中可一定程度上考虑代替铝合金使用。玄武岩纤维复合材料的准静态与动态力学性能比E-玻璃纤维复合材料稍高,在抗弹性能方面,研究人员对二者进行了对比。李英建等与李伟等指出玄武岩纤维的脆性较大,玄武岩纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料单独用来防弹时,性能与中碱玻璃纤维复合材料相似,低于高强玻璃纤维复合材料。林大路对比研究了玄武岩纤维层合板和S-玻璃纤维增强环氧树脂基层合板的抗侵彻性能,试验表明玄武岩纤维和S-玻璃纤维层合板具有相似的破坏模式,都有明显的脱胶及分层现象;在约束机制作用下,玄武岩纤维拉伸变形并不明显,能使更多层数的玄武岩纤维发挥作用;通过与相近厚度的玻璃纤维布对比,在条件相同的情况下玄武岩纤维和S-玻璃纤维具有相近的弹道极限和比吸能。从现有研究现状来看,玄武岩纤维复合材料抗弹性能较为优异,大抵相当于S-玻璃纤维复合材料,但在应用方面与碳纤维、玻璃纤维、芳纶等还有较大距离。对玄武岩纤维成本、性能、可持续发展性等进行综合考虑,可发现玄武岩纤维虽然脆性较大,但其使用温度范围大(-260~650℃)、耐磨性好、抗冲击性能优异且价格便宜,因此可以设计与其他纤维材料混杂制备复合结构,使其优点得到更好的发挥。近年来也有研究人员对玄武岩纤维混杂增强复合材料的抗弹性能进行了研究。田伟等测试了玄武岩纤维/丙纶混杂编织复合材料的抗弹性能,结果表明,与纯丙纶复合材料相比,适量玄武岩纤维的加入将提高了复合材料的抗弹性能。杨智明等研究了玄武岩纤维(BF)/超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)混合铺层增强环氧树脂基复合材料的抗弹性能,如表3所示,可见混杂复合材料的质量防护系数和厚度防护系数比两种纯纤维复合材料的都要高,且加入玄武岩纤维后,混杂复合材料的背凸高度和背部变形面积比纯超高分子量聚乙烯纤维复合材料显著降低。图10为靶试试验后三种复合材料的破孔照片,在混杂复合材料中高温强度高、隔热阻燃效果好的玄武岩纤维可以抑制热量向超高分子量聚乙烯纤维层的传递,进一步提升了复合材料的抗弹性能。综合现有研究发现,以玄武岩纤维作为抗弹主体材料的研究还不够完善,玄武岩纤维改性、混杂复合材料的抗弹性能少有人研究,且不同研究人员的实验条件不同,因此各个研究结果难以直接比较。玄武岩纤维复合材料抗弹性能的变化受基体、纤维等因素的影响都将从其失效机制表现出来,但在高速动态冲击过程中难以捕获材料本身的结构变化,因此其失效机制只能通过断口形貌进行推测。在复合材料失效机制研究中,数值模拟发挥了越来越重要的作用,尤其是在材料动态行为模拟上,但现今少有研究人员关注玄武岩纤维增强树脂基复合材料数值模型的建立与仿真模拟的解析。玄武岩纤维具有比其他纤维更粗糙的表面,其协同变形时发生大的“摩擦锁定冶等机制将对复合材料吸能及协同变形产生重大影响,因此对其宏观变形过程和细观损伤机制的仿真模拟研究有利于深入解析玄武岩纤维复合材料的抗弹机制,指导其在高速抗冲击领域的应用。
现阶段研究人员主要对玄武岩纤维复合材料或改性复合材料的准静态力学性能进行了研究,其动态力学性能和抗弹性能的相关研究还不全面,尤其是在1000/s以上高应变率下的动态响应以及改性、混杂复合材料的抗弹机理变化等还不清楚。另一方面,在玄武岩纤维复合材料力学性能研究的过程中少有人关注数值模拟对实验过程的解析,而仿真模型的建立有利于对材料力学行为及失效机制进行精细分析,因此玄武岩纤维复合材料动态本构模型亟需建立,在此基础上对玄武岩纤维力学性能响应尤其是动态力学性能进行系统化研究总结对推动玄武岩纤维复合材料的在抗冲击领域的研究及应用具有重大意义。与玻璃纤维复合材料对比发现,玄武岩纤维复合材料具有较为优异的准静态力学性能、动态力学性能和相当的抗弹性能,在工业应用的各个领域具有替代玻璃纤维复合材料的潜力。但现今我国玄武岩纤维产业仍然处于发展初期,相比于玻璃纤维较为成熟的市场体系及多样的品种,玄武岩纤维的性能优势与发展方向显得较为模糊。虽然,纤维改性、基体改性等方法可以提高玄武岩纤维复合材料的力学性能,但受限于本身材质及生产成本,玄武岩纤维复合材料的力学性能很难明显提升并应用于实际环境。因此,设计与其他纤维材料混杂制备的复合结构,在不降低复合材料力学性能的基础上增强复合材料的适用性,降低成本,最大限度地发挥玄武岩纤维高性价比的优势将是玄武岩纤维复合材料研究发展的一个重要方向。
